一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置，包括：激光器光束经准直、偏振和扩束处理后入射到光场调控装置；光场调控装置加载掩膜对入射光场进行调制；调制后的入射光场经散射介质扰乱后形成未知的散斑光场，散斑光场输入到波前成像系统中；波前成像系统计算输出未知散斑光场的复振幅信息即振幅和相位信息；元启发式优化算法基于波前成像系统输出的入射光场与目标光场的振幅和相位的相关度评估光场调控质量，反馈输出优化信息，不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现透过散射介质的复杂光场的调控。本发明专利技术基于高分辨率波前成像系统和智能元启发式优化算法，能够在任意调控目标下对透过散射介质的光场实现振幅和相位的二维调控。幅和相位的二维调控。幅和相位的二维调控。

【技术实现步骤摘要】
一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置


[0001]本专利技术涉及光场调控领域，特别是指一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置。

技术介绍

[0002]当光的传播在经过如生物组织、多模光纤等散射介质时会发生散射，散射光之间的随机干涉使得入射光形成一种散斑，这种现象使得生物医学成像、光治疗以及光通信等
受到了极大的限制。因此，若能够减弱光散射现象对入射光波的影响，将有效提升光学技术在强散射介质中的应用前景。
[0003]波前整形技术的出现为减弱光散射现象提供了有效的技术手段。这种技术可以将入射光场调制为一种特殊的波前，目前已经实现了在散射介质后重建出不同的幅值目标例如一个二维图像或聚焦光斑。波前整形技术主要包括传输矩阵法、相位共轭法、基于迭代优化的反馈法。其中传输矩阵法通过建立入射光场和出射光场之间的线性关系，测定出散射矩阵的传输矩阵，即可根据目标光场反推出入射光场的波前信息，从而实现波前整形。然而传输矩阵法只能局限于某种确定的散射介质，对于动态散射介质的传输矩阵的测量较为困难。相位共轭法是通过测量散射介质后的散射光场，将散射光场相位共轭后反向传输经过散射介质，在散射介质后还原为初始的入射光场，但实现相位共轭往往需要精密校准的光路，且容易受到环境噪声的影响。基于迭代优化的反馈式波前整形法是对经过散射介质的光场进行预先调制，将调制后的光强信号作为反馈信号，不断调控入射光场，实现在散射介质后光场呈目标光强图分布或聚焦，这种方法装置简单，易于控制，且表现出较强的抗干扰能力。
[0004]然而目前的波前整形技术大多数仅实现了对散射介质后的入射光场的仅振幅或仅相位的单一维度的聚焦光斑的调控。一方面这样的仅振幅或相位的单一维度的调控方式带来的光场调控维度受限将丢失所调控光场的重要的相位或振幅信息。另一方面单一模式的聚焦光斑的调控目标不足以应对光场调控技术在其他领域的应用，例如在光捕获领域中含有螺旋相位的涡旋光可以自动地旋转而捕获粒子。由此可见仅振幅或仅相位的单一维度的调控方式和单一模式的聚焦光斑的调控目标仍一定程度限制了光场调控用于任意复杂光场的生成技术。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出一种透过散射介质的复杂光场的调控方法及装置，能够在散射介质下实现同时独立调控入射光场的振幅信息和相位信息，凭借高分辨率的波前成像系统和智能元启发式优化算法，基于入射光场与任意设定的目标光场的复振幅相关度及包括振幅相关度和相位相关度来评估光场的调控质量，不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现透过散射介质的复杂光场的调控。因此本专利技术能够有效弥补在经过散射介质后光场调控技术在调控维度和调控目标的局限性。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一方面，一种透过散射介质的复杂光场的调控方法，包括：
[0008]打开激光光源；
[0009]对激光器发出的光束进行准直、偏振和扩束处理后入射到光场调控装置；
[0010]所述光场调控装置加载掩膜对入射光场进行调制；
[0011]调制后的入射光场透过散射介质形成未知的散斑光场并输入到波前成像系统作为输入信号；
[0012]所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息，所述复振幅信息包括振幅信息和相位信息；
[0013]所述入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息的相关度作为元启发式优化算法评估光场调控质量的标准，所述元启发式优化算法按照特定的优化模式反馈输出优化信息，从而不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现对透过散射介质的复杂光场的调控。
[0014]优选的，所述光场调控装置为液晶空间光调制器，选取液晶空间光调制器中心区域的H
×
W为有效调控区域，其中每h
×
w个相邻像素组成一个超像素，则有效调控区域等分为个单元，其它区域始终设为0，加载分辨率大小为H
×
W的掩膜到该空间光调制器的有效调控区域后，即可实现对入射光场的调控；其中H和W表示有效调控区域的二维平面像素数量，h和w表示超像素区域的二维平面像素数量。
[0015]优选的，所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息的方法主要包括：
[0016]由多张不相关的相位图样调制未知散斑光场；
[0017]记录由多张相位图样所调制未知散斑光场对应的光强分布；
[0018]基于GS相位恢复算法从多组相位图样和与之对应的光强信息中计算出未知光场的复振幅信息。
[0019]优选的，所述元启发式优化算法包括基于种群策略的优化模式，将多个掩膜作为优化变量，在该策略下称为种群；掩膜可行域作为约束条件；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为目标函数；基于种群策略的优化模式的元启发式优化算法通过特定算子规则可实现在约束条件下使得目标函数达到最优值，具体步骤如下：
[0020]步骤a1、光场调控装置加载随机生成的N个掩膜，经散射介质后由波前成像系统计算输出由N个掩膜调制的入射光场的复振幅信息，将入射光场与目标光场的之间的振幅相关度和相位相关度作为K个目标函数，并计算所对应的目标函数值；
[0021]步骤a2、根据目标函数值，基于特定的排序方法对种群变量进行优劣排序，即对N个掩膜对入射光场的调控质量进行优劣排序，并从中选取Z个优胜个体；
[0022]步骤a3、种群中的个体按照一定产生规则读取优胜个体并更新自身状态，生成一个新的掩膜种群；
[0023]步骤a4、重复步骤a1
‑
a3，直到满足预设优化目标或优化进程达到收敛，最终在光场调控装置加载优化后的掩膜将得到优化后的入射光场呈现出目标振幅和目标相位的分
布。
[0024]优选的，所述元启发式优化算法包括基于单一解策略的优化模式，将单个掩膜作为优化变量；相位可行域作为约束条件，在约束条件内穷举或随机改变掩膜作为候选解；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关程度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为目标函数，具体步骤如下：
[0025]步骤b1、光场调控装置加载随机生成的1个初始掩膜，经散射介质后由波前成像系统计算输出由该掩膜调制的入射光场的复振幅信息，将调制后的入射光场与目标光场的之间的振幅相关度和相位相关度作为K个目标函数，并计算所对应的目标函数值。
[0026]步骤b2、按照特定的生成规则产生M个候选解，即更新M个掩膜。
[0027]步骤b3、将更新的M个掩膜候选解加载到光场调控装置中对入射光场进行调制，在经过散射介质后由波前成像系统计算M个相应掩膜调制后的入射光场的复振幅信息，并计算出M个掩膜变量所对应的目标函数值。
[0028]步骤b4、比较M个掩膜候选解与本次迭代中的初始掩膜的目标函数值大小，判别接受候选解，将其中最优掩膜设定为本次迭代中的局部最优掩膜并设定为下一次迭代的初始掩膜。
[0029]步骤b5、重复步骤b1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透过散射介质的复杂光场的调控方法，其特征在于，包括：打开激光光源；对激光器发出的光束进行准直、偏振和扩束处理后入射到光场调控装置；所述光场调控装置加载掩膜对入射光场进行调制；调制后的入射光场透过散射介质形成未知的散斑光场并输入到波前成像系统作为输入信号；所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息，所述复振幅信息包括振幅信息和相位信息；所述入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息的相关度作为元启发式优化算法评估光场调控质量的标准，所述元启发式优化算法按照特定的优化模式反馈输出优化信息，从而不断优化入射光场的复振幅分布，最终实现对透过散射介质的复杂光场的调控。2.根据权利要求1所述的透过散射介质的复杂光场的调控方法，其特征在于，所述光场调控装置为液晶空间光调制器，选取液晶空间光调制器中心区域的H
×
W为有效调控区域，其中每h
×
w个相邻像素组成一个超像素，则有效调控区域等分为个单元，其它区域始终设为0，加载分辨率大小为H
×
W的掩膜到该空间光调制器的有效调控区域后，即可实现对入射光场的调控；其中H和W表示有效调控区域的二维平面像素数量，h和w表示超像素区域的二维平面像素数量。3.根据权利要求1所述的透过散射介质的复杂光场的调控方法，其特征在于，所述波前成像系统计算输出透过散射介质的入射光场的复振幅信息的方法主要包括：由多张不相关的相位图样调制未知散斑光场；记录由多张相位图样所调制未知散斑光场对应的光强分布；基于GS相位恢复算法从多组相位图样和与之对应的光强信息中计算出未知光场的复振幅信息。4.根据权利要求1所述的透过散射介质的复杂光场的调控方法，其特征在于，所述元启发式优化算法包括基于种群策略的优化模式，将多个掩膜作为优化变量，在该策略下称为种群；掩膜可行域作为约束条件；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关度即分别包括振幅相关度和相位相关度作为目标函数；基于种群策略的优化模式的元启发式优化算法通过特定算子规则可实现在约束条件下使得目标函数达到最优值，具体步骤如下：步骤a1、光场调控装置加载随机生成的N个掩膜，经散射介质后由波前成像系统计算输出由N个掩膜调制的入射光场的复振幅信息，将入射光场与目标光场的之间的振幅相关度和相位相关度作为K个目标函数，并计算所对应的目标函数值；步骤a2、根据目标函数值，基于特定的排序方法对种群变量进行优劣排序，即对N个掩膜对入射光场的调控质量进行优劣排序，并从中选取Z个优胜个体；步骤a3、种群中的个体按照一定产生规则读取优胜个体并更新自身状态，生成一个新的掩膜种群；步骤a4、重复步骤a1
‑
a3，直到满足预设优化目标或优化进程达到收敛，最终在光场调控装置加载优化后的掩膜将得到优化后的入射光场呈现出目标振幅和目标相位的分布。
5.根据权利要求1所述的透过散射介质的复杂光场的调控方法，其特征在于，所述元启发式优化算法包括基于单一解策略的优化模式，将单个掩膜作为优化变量；相位可行域作为约束条件，在约束条件内穷举或随机改变掩膜作为候选解；入射光场的复振幅信息与目标光场的复振幅信息之间的相关程度即分别包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卉，陈旭东，林志立，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：